TU/e ontwikkelt efficiënte nano-led voor optische interconnects

Onderzoekers van de TU/e hebben een lichtkanaal op een nano-led geïntegreerd die duizend keer zo efficiënt is als eerdere combinaties. De combinatie heeft mede daardoor goede papieren om te kunnen dienen als lichtbron voor optische verbindingen in chips.

De led met geïntegreerde waveguide is enkele honderden nanometers groot. De manier waarop de wetenschappers de led met het lichtkanaal gekoppeld hebben, zorgt ervoor dat relatief veel licht behouden blijft. Bij eerdere pogingen van onderzoekers om led en kanaal te integreren, trad veel verlies op van licht.

De Eindhovense vinding haalt nu een efficiëntie van tussen 0,1 en 1 procent, maar met nieuwe productietechnieken moet dat percentage flink hoger uitvallen, verwachten de wetenschappers. Volgens de TU/e is de efficiëntie nu al zeker 1000 keer beter 'dan de beste elders ontwikkelde varianten'.

Bijkomend voordeel van de nano-led is dat deze op een silicium ondergrond is verwerkt. Silicium is niet geschikt voor integratie van lichtbronnen, maar de onderzoekers hebben de led op een membraan van indiumfosfide gezet. De verwerking hiervan op silicium maakt dat de technologie in theorie compatibel te maken is met chips.

De onderzoekers zijn hierover nog wel voorzichtig; voor daadwerkelijke productie moet nog veel onderzoek verricht worden. De eerste testen zijn echter veelbelovend. De nano-led zou elektrische signalen zo snel kunnen omzetten in optische signalen, dat datasnelheden van meerdere gigabits per seconde binnen handbereik zouden zijn. Optische interconnects moeten zo op chip- en systeemniveau een alternatief gaan vormen voor elektronische dataverbindingen.

De onderzoekers publiceren hun werk onder de naam Waveguide-coupled nanopillar metal-cavity light-emitting diodes on silicon in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Reacties (29)

[ExIT]

Enorm gaaf dat hier nu al zo'n vooruitgang geboekt wordt. De grootschalige toepassing lijkt op korte termijn (2-7 jaar) nog niet nodig te zijn.

Optical links have historically proven to be the dominant interconnect of choice for applications needing 100Gbps.meter and beyond. Electrical links have been the preferred choice below this threshold. The 100-Gbps.meter crossover between electrical and optical interconnects has been a good guideline capturing many commercial decisions over past three decades. However, it is an empirical observation, not a hard physical limit predicted by information theory.

Zie ook dit en/of lees dit.

Toch denk ik dat optische communicatie in systemen binnen 10 tot 15 jaar normaal gaat zijn.

[cdwave]

Elektrische verbindingen gebruiken energie bij toenemende afstand door de capaciteitwerking van de verbinding. DDR geheugen is een notoire energievreter (lange lijnen, veel data, hoge frequentie) in elk systeem. Optische verbindingen hoeven alleen te compenseren voor verliezen, en zijn op langere verbindingen dus mogelijk efficiënter.

Een andere leuke eigenschap van lichtbundels is dat ze elkaar mogen kruisen, ofwel, de signaalpaden mogen een tijdje dezelfde ruimte innemen. Dat maakt het routeren een stuk eenvoudiger, gewoon recht er naartoe. Kijk eens naar hoe de sporen naar je DDR geheugen lopen op de print om ze allemaal even lang te maken.

[SPee]

Deze techniek is maar 1 deel van de optische communicatie.
Het andere deel is de ontvanger. Voor zover ik weet, is dit nog de beperkende factor en zijn ze groter en langzamer.

[MeMoRy]

Dat klopt, maar het scheelt dat in deze situatie de afstanden klein zijn.
Licht in glasvezel ondervindt chromatische dispersie. Wat kortweg betekent dat de ene golflengte met een andere snelheid door de glasvezel gaat dan een andere golflengte. Hoewel laser wordt gebruikt, is de golflengte nooit precies één frequentie (perfecte pieken bestaan niet in de natuur), maar meer een normaalverdeling rond die frequentie. Kortom een verzonden symbool wordt over de lengte van de vezel uitgesmeerd in tijd, en vermengt zich met de omliggende symbolen: inter-symbol interference. Daar moet bij de ontvanger voor gecompenseerd worden, en daar is DSP rekenkracht voor nodig, wat bij 100 Gb/s best veel is.
De grootheid is echter in picoseconde per [nanometer golflengte * kilometer afstand]. Over langere afstanden (50-1000 km) maakt dat dus veel uit, maar binnen een systeem, waar de afstanden <1 meter, of zelfs <10 cm zijn, is het misschien niet nodig. Dat maakt het een stuk haalbaarder.

[ExIT]

Klopt, met licht kun je leuke dingen doen. Kruisen of parallel in één lane (fiber) is slechts het begin. Zoals elders in dit topic besproken; je kunt licht opbreken in verschillende kleuren (dus golflengtes) en dan dwars door elkaar een vezel insturen. Toch heeft het zijn beperkingen, door natuurkundige eigenschappen is er een limiet aan de hoeveelheid golflengtes welke gebruikt kunnen worden. Daarnaast moet er voldoende "spacing" tussen de golflengtes zitten omdat (zoals MeMoRy hieronder uitstekend uitlegt) het signaal anders niet voldoende meer onderscheiden kan worden. Hetzelfde een beetje zoals de werkgeheugenbuffers met elektronen welke ofwel een 1 ofwel een 0 vertegenwoordigen terwijl natuurkundig gezien de buffer meer dan de helft gevuld moet zijn om als één gerekend te worden. Een zekere SNR dus.

PS: in de glasvezelwereld worden al optische switches gebruikt, bijvoorbeeld bij OTDR fabrikanten ten behoeve van o.a. kalibratie. In de backbones van multimedia-bedrijven worden ook lichtsplitters gebruikt. Hierdoor kan, naast het signaal, ook een extra golflengte het netwerk worden ingestuurd ter controle van de integriteit van het netwerk. Dit tweede signaal wordt met eerdergenoemde OTDR's in de gaten gehouden.

[runeazn]

Duidelijke post, top! Goede discussie hier .

[Reactie gewijzigd door runeazn op 27 juli 2024 05:16]

[oscar]

Deze vinding zal worden ingezet binnen systemen in plaats van connectivity tussen systemen. De huidige standaard van 100Gbps is daar toereikend (al dan niet gedupliceerd middels meerdere kleuren over dezelfde vezel door middel van bijvoorbeeld WDM tot wel 16 - 32Tbps).

Juist op korte afstand, binnen chip(set)s, is er de behoefte aan bandbreedte (zonder de multiplexing trucs van hierboven). De electronische schakelingen werken hier nu beperkend. IBM is geïnteresseerd hierin voor hun supercomputers, maar ook bijvoorbeeld fabrikanten van optical switches willen deze technologie toepassen voor hun backplanes. Go TU/e go!

[ExIT]

Binnen systemen ja, dat had ik inderdaad niet expliciet vermeld. Ik bedoel dat wel.

Door WDM kan op een glasverbinding zelfs gestapelt worden ja. Toch is één "kanaal" al een enorme vooruitgang op koper en identiek aan de werking nu. Althans, mij is geen koper-duplexing bekend over koper binnen systemen (wel modulatie op bijvoorbeeld CATV kabels).

Op een kleine schaal zoals PCB's en al helemaal ìn chips was de optische zender/ ontvanger/conversie altijd het echte probleem. Met de minescule lichtbronnen welke in het artikel gekscherend omschreven worden als "enkele honderden nanometers" is dat een ander verhaal. Maar nogmaals, vooralsnog alleen bij hoge bandbreedtes mijns inziens. Niet alleen als je kijkt naar kosten/baten maar ook omdat de snelheidswinst op zeer kleine schaal exponentieel afneemt in het geheel.

[MeMoRy]

Dat is wel één van de doelen van het Integrated Photonics Institute dat de TU/e een half jaar geleden heeft gelanceerd.
Universitair Docenten dr. O. Raz en dr N. Calabretta aan de TU/e zijn o.a. bezig met het specifieke onderwerp van optische communicatie tussen elektronische systemen.
Maar er wordt ook onderzoek gedaan naar berekeningen doen met licht. Mijn projectleider geeft hier een kort interview met RTL-Z: Youtube

[Reactie gewijzigd door MeMoRy op 27 juli 2024 05:16]

[dura]

Zou dit uiteindelijk snellere en/of zuinigere cpu's op kunnen leveren? Met wat voor voordelen en nadelen? Aan wat voor orde van grootte verschillen moeten we denken?

[ExIT]

Ja, zeker. Beide zelfs. Maar voordat we volledige optische consumenten CPU's zien zijn we minimaal 10 jaar verder.

Beknopt meer over electronen versus fotonen (koper vs glas): http://lasermotive.com/wp...Copper_summary2013Jan.pdf

[Sissors]

Klinkt als geheel onafhankelijke bron .

Of we volledige optische consumenten CPUs ooit zien zou mij persoonlijk flink verbazen, dan moeten er nog eerst een hoop fundamentele nieuwe ontdekkingen worden gedaan. Even los ervan dat de huidige optische transistoren (wat je toch nodig hebt voor een volledig optische CPU) simpelweg onbetrouwbaar en erg beperkt zijn, zijn ze ook erg groot. Veel groter dan onze elektronische transistoren. En dat is een fundamenteel verschil tussen de twee, het is niet dat er simpelweg wat doorontwikkeling nodig is van die optische. Ze zijn namelijk gebaseerd op oscillaties, en die vinden plaats rond de golflengte van licht. En gezien ik EUV voor on-chip toepassingen voor wel langer dan 10 jaar als onrealistisch zie, zit je dus vast aan zichtbaar/infrarood. En die golflengte is simpelweg groot vergeleken met onze elektronische transistoren.

Gaan ze dan snellere en/of zuinigere CPUs opleveren? Mwah, misschien zuiniger. Ik kan me voorstellen als het goed werkt dat je bijvoorbeeld je klok optisch kan distribueren over de chip. Dat scheelt wel in power. Maar dit is iets wat al heel lang geclaimed wordt door sommige dat het komt, en het komt maar niet.

Zelf zie ik het ook nog eerder voor vervanging op PCB, en misschien bij multi-die chips tussen de dies (oftewel één doosje waar meerdere chips in zitten) communicatie. Zodat bijvoorbeeld je PCIe bus vervangen wordt door een optische.

[ExIT]

Je hebt ook gelijk maar ik probeer mensen die een simpele vraag stellen ook een simpel antwoord te geven, dat is vaak precies wat ze zoeken zonder bedolven te worden onder boekwerken van technisch jargon.

Ook klopt het dat de bron niet objectief is en de informatie kabels behelst. Doch betreft het een simpel overzicht van fotons vs electrons, mijns inziens welke toereikend is.

Hoewel ik wellicht optimistisch ben moet je niet vergeten dat 10 jaar veel tijd is. Zeker als het gaat om technologie. De groei is exponentieel en deels gedreven door kapitalisme. Het zal mij niet verbazen als de optische PCB's en mogelijk ook chips snel hun intreden vinden. MRI's nu gebruiken vaak een half datacenter op de vloer onder de machine. Er wordt gigantisch veel data verstookt. Hier is geld en vraag naar dergelijke oplossingen. Een bredere toepassing is dan niet ver meer weg. Zo zijn er nog wat redenen te bedenken. Maar het blijft natuurlijk gissen.

Het probleem nu van korte stukjes koper met veel electronen is dat het als antenne gaat fungeren. Met optische lanes kan er daarom wel degelijk een flinke snelheidswinst behaald worden. Ik denk juist dat het niet schokkend veel zuiniger zal zijn. Wel sneller.

[robvanwijk]

Je hebt ook gelijk maar ik probeer mensen die een simpele vraag stellen ook een simpel antwoord te geven

Mag ik het volgende voorstel doen voor een simpel antwoord, zonder jargon en zonder het sleutelwoord "volledig" optische processoren onder tafel te vegen:

Een chip maken die volledig optisch werkt zit er voorlopig nog niet in. Voor het echte rekenwerk zijn optische transistoren nodig en die ontwikkeling is lastig. Op dit moment zijn ze veel groter dan electrische transistoren en vanwege natuurkundige redenen kunnen ze niet zomaar kleiner gemaakt worden. Al die rekenelementen moeten echter ook met elkaar verbonden worden en die verbindingen zouden waarschijnlijk wel allemaal door een optische versie vervangen kunnen worden.

Hoe snel een chip is hangt er grotendeels vanaf hoe snel ie rekent. Tenzij we er alsnog in slagen om optische transistoren te maken, zullen chips dus niet echt sneller worden. Stroomverbruik wordt veroorzaakt door zowel rekenen als door data verplaatsen. Met electrische transistoren en optische verbindingen zou je dus wel een flink lager verbruik moeten kunnen halen.

[MeMoRy]

Nog grotere uitdaging dan optische transistoren zijn voor zover ik weet optische geheugenelementen. Want hoe hou je fotonen voor onbepaalde tijd vast..?

[robvanwijk]

Nog grotere uitdaging dan optische transistoren zijn voor zover ik weet optische geheugenelementen. Want hoe hou je fotonen voor onbepaalde tijd vast..?

Met zes transistoren bouw je een flipflop. Waarom zou het vasthouden van licht moeilijker zijn dan het vasthouden van stroom?

[MeMoRy]

Je moet bij optische processing wel een beetje van het idee van de transistor af. Dat domein heeft namelijk andere bouwblokken, als Mach-Zehnder interferoneters.

[ExIT]

Optisch geheugen werkt met 2 spiegeltjes die de foton opsluit, het deeltjes gedrag gaat dan tevens meteen om in golfgedrag.

[MeMoRy]

Heb je een link voor me? Want zover ik weet zijn ze nog steeds op zoek naar een goede oplossing. In dit geval kan ik bedenken: Een spiegel reflecteert nooit 100%, noch heeft elk medium anders dan vacuüm een absorptie factor, dus het lijkt me de je de foton niet voor onbepaalde tijd kan opslaan.

[ExIT]

Ja natuurlijk. De info over het spiegel-idee zit achter een pay wall, maar het onderstaande artikel niet en deze haalt zelfs verschillende fotonische geheugen methoden kort aan:

http://www.osa-opn.org/ho...rade_for_computer_memory/

[ExIT]

Bedankt voor je reactie.

De knelpunten die je benoemd zijn spot on. Maar ook hier wordt vooruitgang geboekt:

https://www.scientificame...eneration-computer-chips/

Edit; ander artikel zonder subscription: https://www.extremetech.c...-based-computing-just-yet

[Reactie gewijzigd door ExIT op 27 juli 2024 05:16]

[dura]

Dank je wel, precies de beknopte info die ik zocht.

[Jolke]

Mooi werk en ook goed te zien dat dit van Nederlandse bodem komt.

SEM plaatje komt blijkbaar al uit 2014; wat maar weer aangeeft hoe lang het doen van goed onderzoek en/of publiceren ervan duurt.

[Reptile209]

Zegt ook niet alles dat die foto uit 2014 is. Aan het begin van zo'n onderzoek wil je kunnen controleren of de structuren lukken zoals je ze wil hebben. Dan zal je meer (en mooiere) SEM's maken dan richting het einde, als je de performance aan het verbeteren bent. Bovendien is een SEM meestal dodelijk voor het item dat je wil scannen, dus dit doe je liever niet met je parade-paardjes

[Jolke]

Dat begrijp ik. Voor een SEM wil je niet de best performance samples gebruiken.

Sowieso zijn resultaten die gepubliceerd zijn niet van gisteren; het publiceren alleen al kost 3-6 maanden - van submission tot online publicatie. Afhankelijk van de snelheid van de peer-reviewers bij Nature kan dat soms iets korter zijn.
Het schrijven zal de auteurs ook een paar maanden geduurd hebben. Al met al kan je dus in een half tot 1 jaar iets publiceren. Ik had dus bij 'nieuw onderzoek' niet meteen een foto uit 2014 verwacht. Om die reden liet ik altijd de datum weg bij dergelijke plaatjes.

[MeMoRy]

Nederlandse bodem? De promovendus komt uit Mexico en werkt intussen in Duitsland. En bovendien: "This work was supported by the EU FP7 project NAVOLCHI (288869)[...]" en nog wat anderen.
Puur 'Nederlands' onderzoek bestaat niet (meer).

[Reactie gewijzigd door MeMoRy op 27 juli 2024 05:16]

[Falcon]

Gewoon gaaf dat dit binnen Nederland bedacht is!

[MeMoRy]

Received: 27 January 2016
Accepted: 14 December 2016
Published online: 02 February 2017

Grappig om te lezen. De schrijver is hier al meer dan een jaar geleden op gepromoveerd, het onderzoek liep al 4 jaar daarvoor, en nu is het pas 'nieuws'.

voor mezelf leuk: dit is de afdeling waar ik nu werk.

[Reactie gewijzigd door MeMoRy op 27 juli 2024 05:16]

[ToFast]

De efficiëntie lag tussen de 0.1-1% en nu zou dat grofweg 1000 keer beter zijn ? Sterk verhaal, hoe is dat in godsnaam mogelijk

Edit: beter lezen..hun 0.1-1% is nu al 1000x beter (heel mooi, maar een efficiënte van max 1% is erg laag, geen wonder dat ze verwachten dat dat sterk hoger zal komen te liggen in de toekomst)..

[Reactie gewijzigd door ToFast op 27 juli 2024 05:16]